数字化变革下职业教育智能环保虚拟仿真实训基地建设研究

陈福坤,张丽微,吴琴琴,张馨月,孙德林

(1.广西生态工程职业技术学院,广西柳州,545004;2.山东欧倍尔软件科技有限责任公司,山东济南,250021)

一、引言

在教育数字化战略行动背景下,虚拟仿真技术与职业教育不断融合,在赋能教育数字化变革、促进教育公平、改善教学效果等方面做出了突出贡献。2020年,《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》指出,建设职业教育虚拟仿真实训基地既是改革传统教学育人手段的要求,也是推进人才培养模式创新的迫切需要。[1］虚拟仿真实训基地建设是职业教育数字化转型升级的重要路径,也是学科专业与信息技术深度融合的产物。国家在虚拟仿真实训基地建设中的一系列举措和已取得的成果为建设职业教育示范性虚拟仿真实训基地提供了良好的政策保障、发展机遇和建设经验。本文研究如何将智能环保虚拟仿真实训基地打造成集教学、实训、培训、竞赛、科普于一身的智能化综合性实训基地,旨在解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高”“三难”问题[2］,创新职业教育环保类专业“虚实结合”教学新路径、新机制和新模式,形成校企共建共享、协同创新、管理高效的智能环保虚拟仿真实训基地建设模式,有力推动产教深度融合,构建校企命运共同体,推动职业教育数字化能力和水平的提升[3］,有力提高环保类专业技术技能人才的培养质量。

二、必要性

职业教育教学的特色是突出真实的工作环境,学生在真实或仿真实的工作环境下学习和实训,通过工学交替、突出真实工作过程的项目教学等方式培养学生与岗位需求相适应的职业技能和职业素养。[4］一方面,智能环保虚拟仿真实训基地能够充分拓展实训教学内容的深度和广度,延伸实训教学的时间和空间[5］,提高实训教学的质量和水平,激发学生探究式学习和自主学习的内生动力;另一方面,智能环保虚拟仿真实训基地能够帮助解决环保类专业教学中的“三高”“三难”问题,如因实验实训设备占地面积较大、建设费用高、运行维护难等带来的职业技能培养与岗位需求不匹配的问题,因实训设备昂贵、损坏风险高使得现场设备操作不易实现等问题。建设智能环保虚拟仿真实训基地丰富了学生参与实验实训的手段和形式,学生可以在课前、课中和课后,通过数字化平台预习、练习、验证和复习,巩固知识和技能。[6］智能环保虚拟仿真实训基地的建设符合环保产业转型升级对技术技能人才的高要求,推动教育链、产业链与人才链的有机衔接。

三、建设原则与路径

虚拟仿真实训基地建设遵循《职业教育虚拟仿真实训基地建设指南》,以习近平生态文明思想为指导,以立德树人为根本任务,以“思政育人、成果导向、学习者主体、可持续发展”为理念,围绕工匠培养,突出环保类专业特色,面向区域,对接环保产业,服务企业人才需求,以全面提高人才培养质量为目标。职业教育智能环保虚拟仿真实训基地建设以职业教育环保类专业人才培养方案和相关岗位职业标准为基础,秉持“能实不虚、以实带虚、以虚助实、虚实结合”的原则,由政府主导,通过职业院校、行业协会、环保企业和技术公司通力合作,共同打造育训结合、产教融合、管理平台共建、资源共享的虚拟仿真实训基地,赋能环保类专业职业教育数字化转型升级。[7-8］

四、建设思路

聚焦“三教”改革,强化教学、实训、培训、竞赛相融合的教育教学活动,实现工厂与实训室、校内教师与产业导师、学生与学徒、学习与培训的四合一。通过建设一系列虚拟仿真资源、共建与共管综合管理平台、硬件环境、高水平虚拟仿真团队,实现基地共建、共享、共管和共评,有效解决实训中的“三高”“三难”问题。采用校内与校外、理论与实践、虚仿与实操、讲授与训练多维度结合的教学方式,将基地打造成集教学、实训、培训、竞赛、科普于一身的智能化综合性虚拟仿真实训基地。建设思路如图1所示。

图1 智能环保虚拟仿真实训基地建设思路

五、建设内容与资源体系

建设内容以实体实训室为基础,以仿真技术为手段,通过持续探索与建设,紧密对接环保类专业岗位,从智能环保虚拟仿真资源、共建共享综合管理平台、实训环境条件、高水平虚仿团队四个方面开展建设,促进环保类专业实训教学改革与创新,更好地为企业培养创新型、复合型技术技能人才。建设内容同时满足社会培训、技能竞赛和科普宣教的需求,建成集教学、实训、培训、竞赛、科普于一身的智能化综合性虚拟仿真实训基地。

(一)智能环保虚拟仿真资源开发

本文基于“互惠互利、共建共享、育训结合”的运作机制,对接环保产业,面向环境治理、环境监测、生态修复、环境管理和环保装备制造等方向,建设虚拟仿真教学课程体系和教学资源,构建基础共用虚拟仿真平台、专业核心技能虚拟仿真平台和综合职业能力虚拟仿真平台三类平台。

1.虚拟仿真三大平台

基础共用虚拟仿真平台包含两山理论研究展示体验中心和生态博物馆两个模块,内容涵盖政策宣传、认知类项目、展示类项目,课程一般设在大一学年,也可以用于科教宣传。专业核心技能虚拟仿真平台包括环境监测、水污染控制、大气污染控制、固体废弃物处理与处置、环境管理与测绘、大型高精密仪器和电子电工及自动化七大模块,覆盖专业岗位核心课程必备的知识、技能及素养培养的实训项目,涉及环境监测、环境治理、仪器设备的使用等领域,一般设在大二学年的课前预习、课中学习和课后复习环节。综合职业能力虚拟仿真平台包括智能水厂运行与调控和生态修复两大模块,涉及设计类实验、综合治理和水厂运行等内容,以综合实训实习为主,一般设在大二的课后拓展环节和大三的学习环节,着重培养学生的创新性思维与综合实践能力。11个模块和开发的虚拟仿真实训课程教学资源形成有机整体,有效拓展实训的深度和广度,提升实训教学和社会培训的数字化水平,具体如表1所示。

表1 智能环保虚拟仿真三大平台实训项目

2.典型实训项目开发

紧密对接环保类专业岗位技能要求,探索“虚实结合”的教学模式,开发课程中的虚拟仿真实训项目,创造性地将实训室设施设备、线上教学资源与三大虚拟仿真平台进行有机融合,促进课程体系改革创新,推动数字化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实训教学方法的改革,丰富教学内容,拓展实践领域,降低实训成本和风险,提高实训教学成效。三大平台包含11个模块,25个项目,对应若干子项目(根据岗位需求可进行持续开发),每个子项目开发出3D虚拟仿真资源和实训指导文件,构成课程的重要资源,如水污染控制仿真模块包含基础实验(14个子项目)和水污染治理实训仿真工厂(6个子项目),具体如表1所示。学生或企业人员可通过线上线下混合式教学在真实教师或虚拟教师的指导下快速掌握技能要点、完成操作步骤并通过考核,通过这些方式建成基地实训设备先进、教学资源可拓展升级的立体化虚拟仿真实训平台。

(二)共建共享综合管理平台建设

本文遵循“共建、共商、共享、共赢”的原则,联合环保类职业院校、环保企业、科研院所和虚拟仿真技术公司,通过校企合作打造环保虚拟仿真资源的共建共享管理平台。

1.建设高水平育训承载能力管理平台

当前职业教育教学存在资源跨专业、跨学校和校企共享渠道不通畅,学习形式较为单一,实践过程评价体系不客观、不系统、不全面等问题。通过搭建实训基地智慧学习综合管理平台,构建实训管理系统、资源共享系统、智慧评价系统,实现虚拟教学资源在专业、学校和校企之间自由共享,构建学员实训与职工培训全过程、全方位的科学系统化考核评价体系。

智慧学习综合管理平台依托校园网络,借助虚拟仿真技术和网络信息技术进行搭建,根据实际教学工作管理模式,平台架构包含门户网站、基础管理系统、教学管理系统、学习中心系统和数据管理系统,具体如图2所示。智慧学习综合管理平台能够满足虚拟仿真实训教学的综合管理需求,网络平台功能模块可以满足日常的教学管理及学习需求,从而提高实训教学及管理工作的质量和效率。

图2 智慧学习综合管理平台架构

2.共建共享平台管理机制

在平台管理中,通过强化与同类院校、环保企业、科研院所和技术公司等多元主体的协同合作,优化创新资源配置模式,增强仿真基地“自我造血”的能力,形成共建、共管、共享平台管理委员会,探讨管理委员会的管理模式,为基地配备相应的资源,构建科学高效、保障有力的平台管理体系。管理体系可充分发挥院校治理能力,构建同类院校、企业等多元主体协同共建共享的模式,实现教育链、产业链、创新链的深度融合。

(三)实训环境硬件建设

学生可通过智慧学习综合管理平台在电脑端或移动设备端进行虚拟仿真软件的学习与操作。为了让学习者感受真实的环境,基地除了建设桌面式电脑机房,还配置了若干沉浸式虚拟仿真硬件系统。VR实训室通过引入世界先进的VR/AR/MR技术,搭建沉浸式实训体验环境,学生可以进行虚拟练习实验实训操作。VR/AR/MR技术可以直观展示环保类专业课程中的实验实训项目过程,尤其是课堂上难以展现的知识点,从微观的反应机理到不易观察的设备内部结构、介质流向,再到对整个工艺流程、正在运行的生产车间及整个厂区等都能够通过VR/AR/MR技术真实地呈现出来。具有高度沉浸感和真实性的场景能够形成具有冲击力的体验,帮助学生理解专业理论知识,激发学生的主观能动性。此外,电脑机房和VR实训室都引入了环保相关的课程思政元素和数字化元素,以营造良好的立德树人氛围。

(四)高水平虚仿团队建设

1.建立融合型虚拟仿真实训基地管理团队

为保障虚拟仿真实训基地能够高效且可持续地运转,需组建由政校行企共同组成的管理团队。管理团队的主要职责是改进和完善基地的管理制度、运行机制与绩效考核等内容,指导建立有利于提高教学质量的效果考核、评价和反馈机制,强化基地教学创新团队、技术保障团队的管理,确保基地团队结构的合理性、成员的稳定性和人员的充足性。

2.教学创新团队建设

教学团队应同时具备虚拟仿真实训教学和虚拟仿真实训资源开发的双重能力,团队成员包括院校、企业、科研院所专家和虚拟仿真资源开发企业的技术人员。通过双向流动、内培外引、互兼互聘打造一支大师引领、德技双馨、创新引领的高水平教学创新团队。

(1)教学创新团队可持续发展

教学创新团队应对接环保产业发展,以智能环保虚拟仿真实训基地为依托,统筹校企优质人才资源。第一,设立虚仿基地示范开放课题,通过技术能手培训计划、教师入企实践等人才交流项目,接收院校、企业的人员来基地开展教学实践,承担科技研发工作,形成示范辐射。第二,通过将教学团队参与开发和持续完善虚拟仿真实训资源、开展虚拟仿真实训教学设计和虚拟仿真实训教学模式研究等工作纳入教师绩效考核、评先评优和职称评聘考察的范围,形成一套灵活合理、可持续发展的师资团队发展机制。第三,教学团队应不定期地开展智能环保虚拟仿真资源建设和应用研讨会,探索虚拟仿真实训基地在高素质技术技能人才培养中的教学模式和路径,加强教学团队的虚拟仿真资源建设能力和应用能力。

(2)加强教学团队培养

高水平的教学创新团队成员应优化年龄结构、职称结构和来源结构。第一,既要有知识经验丰富的专家,也要有能力出众、沉稳实干的中年骨干,同时还要不断吸收青年教师加入团队,增强团队活力。第二,以学校为主体,鼓励环保企业、科研院所专家和虚拟仿真资源开发企业的技术人员通过专兼结合的方式共同组成教学团队。第三,校内专任教师主动走进企业开展生产实践,企业兼职教师和专任教师共同讲授课程,融合虚拟仿真平台内容,开展虚实结合、理论与实践相互融合的教学,提升实训教学质量。第四,企业一线的专家或技术能手可以通过线上网络教学、线下实体车间实践教学等方式培养和提升学生的岗位能力和职业素养。第五,教学创新团队可以参与人才培养方案和实践教学标准的制定,参与实训教学课程体系的构建,通过实施课程改革、拓展社会服务,全面提升基地教学创新团队的水平。

六、结语

本文分析了基地建设的必要性、建设原则与路径、建设内容与资源体系等方面的问题,旨在建设集教学、实训、培训、竞赛、科普于一身的智能化综合性实训基地,主要包括以下内容:通过强化与行业协会、企业、研究机构等多元主体的协同合作,增强基地“自我造血”的能力,建设共建、共管、共享的虚拟仿真综合管理平台;建设包含思政元素和数字化元素的沉浸式VR实训室和电脑机房;建设融合型基地管理团队,通过双向流动、内培外引、互兼互聘等方式打造一支大师引领、德技双馨、创新引领的高水平教学创新团队;通过建设智能环保虚拟仿真实训基地,持续优化专业人才培养方案和课程体系,形成良性循环。数字化驱动职业教育“三教”改革是职业教育发展的新趋势,职业院校应转变教育理念,加强研究、加大投入,不断提高人才培养质量。